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音響印刷:音波によりあらゆる液体から正確な液滴を作成

家庭用印刷の進化は 1930 年代にまで遡ります。現在、液体インクジェット プリンタとレーザー プリンタは、低コストで迅速、エネルギー効率の高い、高品質のカラー出力を提供します。

最も普及している液滴形成方法であるインクジェット技術は、粘度が水の 10 倍以上の液体に限定されます。レーザーによる順方向転写とバルブベースの印刷では、ノズル サイズ、ソースと基板の距離、粘度によってスループットがさらに制限されます。温度や時間によって特性が変化する場合、インクごとにこれらのパラメータを調整することは困難になります。

バイオプリンティングに不可欠な多くの流体(バイオポリマー、糖分豊富なゲル)は水の 100 倍を超える粘度を示し、中には蜂蜜(水の約 25,000 倍)と同じくらい粘度のあるものもあります。このような高粘度は、従来の印刷を妨げます。

ハーバード大学の研究者は、これらの制約を克服する音響ベースの方法を開発しました。ノズル先端に高度に閉じ込められた音場を生成することで、流体の特性に関係なく、オンデマンドで液滴を生成できます。

仕組み

重力だけでは液滴のサイズを制御できません。水は蛇口から数秒で滴りますが、ピッチは水の 2,000 億倍の粘度を持ち、10 年で 1 滴になります。ハーバード大学のチームは、液滴の形成を制御するために音波を利用しました。音響浮遊は重力に対抗する能力を長い間実証してきました。ここでは、音響泳動印刷と呼ばれるプロセスを支援するために使用されています。

音響印刷:音波によりあらゆる液体から正確な液滴を作成 クレジット:Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/ハーバード大学

サブ波長音響共振器は、ノズル先端に重力 (1g) の 100 倍、つまり太陽の重力の 4 倍に相当する音場を発生させます。液滴が臨界サイズに達すると、音響力によって液滴がノズルから引き出され、目標位置まで推進されます。重要なのは、液滴のサイズは液体の粘度に関係なく、波の振幅によって設定されるということです。

参考:科学の進歩 | doi:10.1126/sciadv.aat1659 |ハーバード大学

テストとアプリケーション

音響印刷:音波によりあらゆる液体から正確な液滴を作成 クレジット:Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/ハーバード大学

この方法は、生体高分子、蜂蜜、光学樹脂、幹細胞インク、液体金属など、さまざまな材料で検証されました。音波は液滴を透過できないため、この技術により、タンパク質や生きた細胞などの繊細な生体分子の完全性が維持されます。

読む:科学者が「バイオインク」を使用して人工人間角膜を 3D プリント

研究者らは、音響泳動印刷が化粧品、バイオ医薬品、食品の生産に革命をもたらし、導電性材料や光学材料の使用を拡大できると期待しています。

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